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OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)

本文作者: 我在思考中 2022-07-14 14:07
導(dǎo)語:本文將全面介紹半監(jiān)督學(xué)習(xí)這一方法。

OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)

作者丨Lilian Weng
編譯丨叢末

編輯丨陳彩嫻

現(xiàn)實應(yīng)用中,數(shù)據(jù)易得,而有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)少有。
一般而言,當(dāng)監(jiān)督學(xué)習(xí)任務(wù)面臨標(biāo)簽數(shù)據(jù)不足問題時,可以考慮以下四種解決辦法:
1.預(yù)訓(xùn)練+微調(diào):首先在一個大規(guī)模無監(jiān)督數(shù)據(jù)語料庫上對一個強大的任務(wù)無關(guān)模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練(例如通過自監(jiān)督學(xué)習(xí)在自由文本上對語言模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練,或者在無標(biāo)簽圖像上對視覺模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練),之后再使用一小組標(biāo)簽樣本在下游任務(wù)上對該模型進(jìn)行微調(diào)。
2.半監(jiān)督學(xué)習(xí):同時從標(biāo)簽樣本和無標(biāo)簽樣本中學(xué)習(xí),研究者使用該方法在視覺任務(wù)上進(jìn)行了大量研究。
3.主動學(xué)習(xí):標(biāo)注成本高,即便成本預(yù)算有限,也希望盡可能收集更多的標(biāo)簽數(shù)據(jù)。主動學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)選擇最有價值的無標(biāo)簽樣本,并在接下來的收集過程中收集此類數(shù)據(jù),在預(yù)算有限的情況下,幫助模型盡可能達(dá)到預(yù)期效果。
4.預(yù)訓(xùn)練+數(shù)據(jù)集自動生成:給定一個功能強大的預(yù)訓(xùn)練模型,可以利用該模型來自動生成更多得多的標(biāo)簽樣本。受小樣本學(xué)習(xí)大獲成功的驅(qū)動,該方法在語言領(lǐng)域的應(yīng)用尤其普遍。
本文全面介紹半監(jiān)督學(xué)習(xí)這一方法,作者為OpenAI研究員Lilian Weng,博客地址:https://lilianweng.github.io/



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什么是半監(jiān)督學(xué)習(xí)?

半監(jiān)督學(xué)習(xí)同時使用標(biāo)簽數(shù)據(jù)和無標(biāo)簽數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型。
有趣的是,現(xiàn)有關(guān)于半監(jiān)督學(xué)習(xí)的文獻(xiàn)大多集中在視覺任務(wù)上。而預(yù)訓(xùn)練+微調(diào)方法才是語言任務(wù)中更常見的范式。
本文所提到的所有方法的損失,都由兩部分構(gòu)成:OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)。其中監(jiān)督損失OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
在樣本全部為標(biāo)簽樣本的情況下非常容易計算出來。我們需要重點關(guān)注如何設(shè)計無監(jiān)督損失OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)。加權(quán)項OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)通常選擇使用斜坡函數(shù),其中t是訓(xùn)練步數(shù),隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)的占比提升。
聲明:此文并不覆蓋所有半監(jiān)督方法,僅聚焦于模型架構(gòu)調(diào)優(yōu)方面的。關(guān)于在半監(jiān)督學(xué)習(xí)中,如何使用生成模型和基于圖的方法,可以參考《深度半監(jiān)督學(xué)習(xí)全覽》(An Overview of Deep Semi-Supervised Learning)這篇論文。



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符號說明表

符號
含義
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
唯一標(biāo)簽的數(shù)量。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
標(biāo)簽數(shù)據(jù)集,其中OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是真實標(biāo)簽的獨熱表示。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
無標(biāo)簽數(shù)據(jù)集。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
整個數(shù)據(jù)集,包括標(biāo)簽樣本和無標(biāo)簽樣本。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
可以表示無標(biāo)簽樣本, 也可以表示標(biāo)簽樣本。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
經(jīng)過增強處理的無標(biāo)簽樣本或標(biāo)簽樣本。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
第i個樣本。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
分別表示損失,監(jiān)督損失,無監(jiān)督損失
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
無監(jiān)督損失權(quán)重,隨著訓(xùn)練步數(shù)增加而增加。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
給定輸入情況下,標(biāo)簽數(shù)據(jù)集的條件概率。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
使用加權(quán)θ生成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),即期望訓(xùn)練出的模型。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
邏輯函數(shù)f的輸出值的向量。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
預(yù)測的標(biāo)簽分布。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
兩個分布間的距離函數(shù),例如均方誤差、交叉熵、KL散度等。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
Teacher 模型權(quán)重的移動平均線加權(quán)超參數(shù)。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
α為混合樣本的系數(shù) ,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
銳化預(yù)測分布的溫度。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
選擇合格的預(yù)測結(jié)果的置信度閾值。




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假設(shè)

在已有研究文獻(xiàn)中,討論了以下幾種假設(shè)來支撐對半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法中的某些設(shè)計進(jìn)行決策。
假設(shè)1:平滑度假設(shè)(Smoothness Assumptions)
如果兩個數(shù)據(jù)樣本在特征空間的高密度區(qū)域接近,它們的標(biāo)簽應(yīng)該會相同或非常相似。
假設(shè)2:聚類假設(shè)(Cluster Assumptions)
特征空間既有密集區(qū)域,也有稀疏區(qū)域。密集分組的數(shù)據(jù)點很自然地形成聚類。同一聚類中的樣本應(yīng)具有相同的標(biāo)簽。這是對假設(shè)1的一個小擴展。
假設(shè)3:低密度分離假設(shè)(Low-density Separation Assumptions)
類之間的決策邊界往往位于稀疏的低密度區(qū)域,因為如果不這樣的話,決策邊界就會將高密度聚類分割為分別對應(yīng)兩個聚類的兩個類,這就會導(dǎo)致假設(shè)1和假設(shè)2都失效。
假設(shè)4:流形假設(shè)(Manifold Assumptions)

高維數(shù)據(jù)往往位于低維流形上。盡管現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)可能是在非常高的維度上被觀察到的(例如,真實世界的物體/場景的圖像),但它們實際上可以被更低維的流形捕獲,這種低維流形上會捕獲數(shù)據(jù)的某些屬性,并將一些相似的數(shù)據(jù)點進(jìn)行緊密組合(例如真實世界的物體/場景的圖像,并不是源自于所有像素組合的均勻分布)。這就使得模型能夠?qū)W習(xí)一種更有效的表征方法去發(fā)現(xiàn)和評估無標(biāo)簽數(shù)據(jù)點之間的相似性。這也是表征學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。關(guān)于此假設(shè),更詳細(xì)的闡述可參考《如何理解半監(jiān)督學(xué)習(xí)中的流行假設(shè)》這篇文章。

鏈接:https://stats.stackexchange.com/questions/66939/what-is-the-manifold-assumption-in-semi-supervised-learning



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一致性正則化(Consistency Regularization)

一致性正則化,也叫一致性訓(xùn)練,假設(shè)給定相同輸入,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的隨機性(例如使用 Dropout算法)或數(shù)據(jù)增強轉(zhuǎn)換不會更改模型預(yù)測。本節(jié)中的每個方法都有一個一致性正則化損失:OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)。
SimCLR、BYOL、SimCSE 等多個自監(jiān)督學(xué)習(xí)方法都采用了這一思想。相同樣本的不同增強版本,產(chǎn)生的表征都相同。語言建模中的交叉視圖訓(xùn)練(Cross-view training )和自監(jiān)督學(xué)習(xí)中的多視圖學(xué)習(xí)(Multi-view learning)的研究動機相同。

1.Π模型

OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)

圖1:Π-模型概覽。同一個輸入經(jīng)過不同的隨機增強和 dropout掩膜的擾動產(chǎn)生兩個版本,通過網(wǎng)絡(luò)得到兩個輸出,Π-模型預(yù)測這兩個輸出是一致的。(圖片來源:Laine 、 Aila  2017發(fā)表的論文《半監(jiān)督學(xué)習(xí)的時序集成》 )

Sajjadi 等人在2016年發(fā)表的論文《深度半監(jiān)督學(xué)習(xí)的隨機變換和擾動正則化》(Regularization With Stochastic Transformations and Perturbations for Deep Semi-Supervised Learning)中,提出了一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)損失,它能夠?qū)⑼粩?shù)據(jù)點經(jīng)過隨機變換(例如dropout、隨機最大池化)產(chǎn)生兩個版本,并在通過網(wǎng)絡(luò)后輸出的兩個結(jié)果之間的差異最小化。由于其標(biāo)簽沒有被明確使用,所以該損失可以應(yīng)用到無標(biāo)簽數(shù)據(jù)集。Laine 、Aila 后來在2017年發(fā)表的論文《半監(jiān)督學(xué)習(xí)的時序集成》(Temporal Ensembling for Semi-Supervised Learning)中,為這種處理方式取了一個名字,叫做 Π模型。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
其中,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)指同一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不同的隨機增強或dropout掩膜的取值。該損失使用整個數(shù)據(jù)集。

2.時序集成(Temporal ensembling)

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圖2:時序集成概覽。其學(xué)習(xí)目標(biāo)是對每個樣本的指數(shù)移動平均值( EMA)做出標(biāo)簽預(yù)測。(圖片來源:Laine 、 Aila  2017發(fā)表的論文《半監(jiān)督學(xué)習(xí)的時序集成》)
Π模型需要每個樣本通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩次,這就使得計算成本增加一倍。為了減少成本,時序集成模型持續(xù)將每個訓(xùn)練樣本OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)的實時模型預(yù)測的指數(shù)移動平均值(EMA)作為學(xué)習(xí)目標(biāo),EMA 在每輪迭代中僅需計算和更新一次。由于時序集成模型的輸出OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)被初始化為0,因而除以OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)行歸一化來糾正這一啟動偏差。出于同一原因,Adam 優(yōu)化器也有這樣的偏差糾正項。
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其中OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是在第t輪迭代中的集成預(yù)測,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是在當(dāng)前回合的模型預(yù)測。需要注意的是,由于OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)=0,進(jìn)行偏差糾正后,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)就完全等于在第1輪迭代中的模型預(yù)測值OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)

3.均值教師(Mean teachers)

OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)

圖3:Mean Teacher 框架概覽(圖片來源:Tarvaninen、 Valpola在2017年發(fā)表的論文《均值教師模型是表現(xiàn)更好的模范模型:加權(quán)平均一致性目標(biāo)優(yōu)化半監(jiān)督深度學(xué)習(xí)結(jié)果》)
時序集成模型將追蹤每一個訓(xùn)練樣本的標(biāo)簽預(yù)測的指數(shù)移動平均值作為學(xué)習(xí)目標(biāo)。然而,這種標(biāo)簽預(yù)測僅在每一次迭代中發(fā)生變化,當(dāng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集很大時,這種方法就顯得冗雜。
為了克服目標(biāo)更新速度慢的問題,Tarvaninen、 Valpola在2017年發(fā)表的論文《均值教師模型是表現(xiàn)更好的模范模型:加權(quán)平均一致性目標(biāo)優(yōu)化半監(jiān)督深度學(xué)習(xí)結(jié)果》(Mean teachers are better role models: Weight-averaged consistency targets improve semi-supervised deep learning results)中,提出了Mean Teacher算法,該算法通過跟蹤模型權(quán)值的移動平均值而不是模型輸出來更新目標(biāo)。權(quán)重為θ的原始模型叫做Student模型,將權(quán)重為連續(xù)多個Student模型的移動平均權(quán)重θ′的模型,稱為Mean Teacher模型:OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
一致性正則化損失是Student模型和Teacher 模型的預(yù)測之間的距離,并且該差距應(yīng)該最小化。Mean Teacher 模型能夠提供比Student模型更準(zhǔn)確的預(yù)測。該結(jié)論在實證實驗中得到了證實,如圖 4 所示。

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圖4:Π 模型和 Mean Teacher模型在 SVHN 數(shù)據(jù)集上的分類誤差。Mean Teacher模型(用橙線表示)比Student模型(用藍(lán)線表示)的表現(xiàn)更好。(圖片來源:Tarvaninen、 Valpola在2017年發(fā)表的論文《均值教師模型是表現(xiàn)更好的模范模型:加權(quán)平均一致性目標(biāo)優(yōu)化半監(jiān)督深度學(xué)習(xí)結(jié)果》)
根據(jù)其消融研究:
  • 輸入增強方法(例如,輸入圖像的隨機翻轉(zhuǎn)、高斯噪聲)或?qū)tudent模型進(jìn)行dropout處理對于模型實現(xiàn)良好的性能是必要的。Teacher模式不需要進(jìn)行dropout處理。
  • 性能對指數(shù)移動平均值的衰減超參數(shù)β敏感。一個比較好的策略是在增長階段使用較小的β=0.99,在后期Student模型改進(jìn)放緩時使用較大的β=0.999。
  • 結(jié)果發(fā)現(xiàn),一致性成本函數(shù)的均方誤差(MSE)比KL發(fā)散等其他成本函數(shù)的表現(xiàn)更好。

4.將噪聲樣本作為學(xué)習(xí)目標(biāo)

最近的幾種一致性訓(xùn)練方法學(xué)習(xí)將原始的無標(biāo)簽樣本與其相應(yīng)的增強版本之間的預(yù)測差異最小化。這種思路與 Π 模型非常相似,但其一致性正則化損失僅適用于無標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

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圖5:使用噪聲樣本的一致性訓(xùn)練
在Goodfellow等人于2014年發(fā)表的論文《解釋和利用對抗性樣本》(Explaining and Harnessing Adversarial Examples)中,對抗性訓(xùn)練(Adversarial Training)將對抗性噪聲應(yīng)用到輸入上,并訓(xùn)練模型使其對此類對抗性攻擊具有魯棒性。該方法在監(jiān)督學(xué)習(xí)的應(yīng)用公式如下:
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
其中OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是真實分布,近似于真值標(biāo)簽的獨熱編碼,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是模型預(yù)測,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是計算兩個分布之間差異的距離函數(shù)。
Miyato 等人在2018年發(fā)表的論文《虛擬對抗性訓(xùn)練:對監(jiān)督和半監(jiān)督方法都適用的正則化方法》(Virtual Adversarial Training: A Regularization Method for Supervised and Semi-Supervised Learning)中提出虛擬對抗性訓(xùn)練(Virtual Adversarial Training,VAT),該方法是對抗性訓(xùn)練思想在半監(jiān)督學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個延伸。由于OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是未知的,VAT 將該未知項替換為當(dāng)前權(quán)重設(shè)定為OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)時,當(dāng)前模型對原始輸入的預(yù)測。需要注意的是,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是模型權(quán)重的的固定值,因而在OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)上不會進(jìn)行梯度更新。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
VAT 損失既適用于標(biāo)簽樣本,也適用于無標(biāo)簽樣本。它計算的是當(dāng)前模型在每個數(shù)據(jù)點的預(yù)測流形的負(fù)平滑度。對這種損失進(jìn)行優(yōu)化能夠讓預(yù)測流形更加平滑。
Verma等人在2019年論文《半監(jiān)督學(xué)習(xí)的插值一致性訓(xùn)練》(Interpolation Consistency Training for Semi-Supervised Learning)中提出插值一致性訓(xùn)練(Interpolation Consistency Training,ICT),通過添加更多數(shù)據(jù)點的插值來強化數(shù)據(jù)集,讓模型預(yù)測和對應(yīng)標(biāo)簽的插值盡可能一致。Hongyi Zhang等人在2018年的論文《Mixup:超越經(jīng)驗風(fēng)險最小化》(Mixup: Beyond Empirical Risk Minimization)中提出MixUp方法,即通過簡單的加權(quán)和來將兩個圖像進(jìn)行混合處理。插值一致性訓(xùn)練即根據(jù)這一思路,讓預(yù)測模型為一個混合樣本生成標(biāo)簽,來匹配對應(yīng)輸入的預(yù)測插值:
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
其中OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)表示Mean Teacher 模型的θ的移動平均值。

OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)

圖6:插值一致性訓(xùn)練概覽。使用MixUp方法生成更多以插值標(biāo)簽作為學(xué)習(xí)目標(biāo)的插值樣本。(圖片來源:Verma等人在2019年論文《半監(jiān)督學(xué)習(xí)的插值一致性訓(xùn)練》)
由于兩個隨機選擇的無標(biāo)簽樣本屬于不同類別的概率很高(例如ImageNet中就有1000個目標(biāo)類別),因此在兩個隨機無標(biāo)簽樣本之間應(yīng)用Mixup方法,就很可能生成在決策邊界附近的插值。根據(jù)低密度分離(Low-density Separation)假設(shè),決策邊界往往位于低密度區(qū)域。
OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
其中OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)表示θ的移動平均值。
與VAT類似,Xie 等人在2020年的論文《一致性訓(xùn)練的無監(jiān)督數(shù)據(jù)增強》(Unsupervised Data Augmentation for Consistency Training)中提出的無監(jiān)督數(shù)據(jù)增強(Unsupervised Data Augmentation,UDA),學(xué)習(xí)給無標(biāo)簽樣本和增強樣本預(yù)測相同的輸出。UDA特別聚焦于研究噪聲的“質(zhì)量”如何通過一致性訓(xùn)練來影響半監(jiān)督學(xué)習(xí)的性能。要想生成有意義和有效的噪聲樣本,使用先進(jìn)的數(shù)據(jù)增強方法至關(guān)重要。良好的數(shù)據(jù)增強方法應(yīng)該能夠產(chǎn)生有效的(即不改變標(biāo)簽)和多樣的噪聲,并帶有有針對性的歸納偏置(Inductive Biases)。
針對圖像領(lǐng)域,UDA 采用的是RandAugment方法,該方法由Cubuk 等人在2019年的論文《RandAugment: 減少搜索空間的實用型自動數(shù)據(jù)增強方法》(RandAugment: Practical automated data augmentation with a reduced search space)中提出。它對Python圖像處理庫PIL中可用的增強操作進(jìn)行統(tǒng)一采樣,無需學(xué)習(xí)或優(yōu)化,因此比使用AutoAugment方法,成本要便宜得多。

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圖7:CIFAR-10分類中各種半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法的比較。在未經(jīng)過RandAugment處理的50000個樣本進(jìn)行訓(xùn)練時,Wide-ResNet-28-2和PyramidNet+ShakeDrop 在完全監(jiān)督下,錯誤率分別為**5.4**和**2.7**。
針對語言領(lǐng)域,UDA結(jié)合使用回譯( back-translation)和基于TF-IDF的詞替換(word replacement)兩種方法。回譯保留了高層次意義,但是不保留某些詞本身,而基于TF-IDF的詞替換則去掉TF-IDF分?jǐn)?shù)較低的無信息性詞。在語言任務(wù)的實驗中,研究者發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)UDA與遷移學(xué)習(xí)和表征學(xué)習(xí)是互補的;例如,在域內(nèi)無標(biāo)簽數(shù)據(jù)上對BERT模型進(jìn)行微調(diào)(即圖8中的OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)),能進(jìn)一步提升性能。

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圖8:不同文本分類任務(wù)上,無監(jiān)督數(shù)據(jù)增強方法采用不同初始化設(shè)置的比較。(圖片來源:Xie 等人在2020年的論文《一致性訓(xùn)練的無監(jiān)督數(shù)據(jù)增強》)
在計算 OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí) 時,UDA可以通過使用以下三種訓(xùn)練技巧來優(yōu)化結(jié)果:
  • 低置信度掩膜(Low confidence masking):如果樣本的預(yù)測置信度低于閾值OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí),則對其進(jìn)行掩膜處理。
  • 銳化預(yù)測分布(Sharpening Prediction Distribution):在Softmax中使用低溫OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)來對預(yù)測概率分布進(jìn)行銳化。
  • 域內(nèi)數(shù)據(jù)過濾(In-Domain Data Filtration):為了從大的域外數(shù)據(jù)集中提取更多的域內(nèi)數(shù)據(jù) ,研究人員訓(xùn)練一個分類器來預(yù)測域內(nèi)標(biāo)簽,然后保留具有高置信度預(yù)測的樣本作為域內(nèi)候選樣本。
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其中,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是模型權(quán)重的固定值,與VAT中的OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)一樣,因而沒有梯度更新,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是經(jīng)過增強的數(shù)據(jù)點,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是預(yù)測置信度閾值,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是分布銳化溫度。



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偽標(biāo)簽(Pseudo Labeling)

Lee等人在2013年的論文《偽標(biāo)簽:深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡單而高效的半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法》(Pseudo-Label : The Simple and Efficient Semi-Supervised Learning Method for Deep Neural Networks)中提出偽標(biāo)簽,它基于當(dāng)前模型預(yù)測的最大的softmax概率,將偽標(biāo)簽分配給無標(biāo)簽樣本,然后在完全監(jiān)督設(shè)置下,同時在標(biāo)簽樣本和無標(biāo)簽樣本上訓(xùn)練模型。
為什么偽標(biāo)簽?zāi)芷鹱饔茫總螛?biāo)簽實際上相當(dāng)于熵正則化,它將無標(biāo)簽數(shù)據(jù)的類概率的條件熵( conditional entropy )最小化,從而實現(xiàn)類之間的低密度分離。換句話說,預(yù)測的類概率實際上是計算類重疊,最小化熵相當(dāng)于減少類重疊,從而降低密度分離。

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圖9:(a )表示僅使用600 個標(biāo)簽數(shù)據(jù)對模型訓(xùn)練后,在MINIST 測試集上進(jìn)行測試輸出的t-SNE可視化結(jié)果,(b)表示使用600 個標(biāo)簽數(shù)據(jù)以及60000 個無標(biāo)簽數(shù)據(jù)的偽標(biāo)簽對模型進(jìn)行訓(xùn)練后,在MINIST 測試集上進(jìn)行測試輸出的t-SNE可視化結(jié)果。偽標(biāo)簽?zāi)軌蚴箤W(xué)到的嵌入空間實現(xiàn)更好的分離效果。(圖片來源:Lee等人在2013年的論文《偽標(biāo)簽:深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡單而高效的半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法》)
使用偽標(biāo)簽進(jìn)行訓(xùn)練自然是一個迭代過程。這里將生成偽標(biāo)簽的模型叫做Teacher 模型,將使用偽標(biāo)簽學(xué)習(xí)的模型稱作Student 模型。

1.標(biāo)簽傳播(Label propagation)

Iscen等人在2019年發(fā)表的論文《深度半監(jiān)督學(xué)習(xí)的標(biāo)簽傳播》(Label Propagation for Deep Semi-supervised Learning)中提出標(biāo)簽傳播概念,是一種基于特征嵌入在樣本之間構(gòu)建相似圖的思想。接著將偽標(biāo)簽從已知樣本“擴散”到傳播權(quán)重與圖中成對相似性得分成正比的無標(biāo)簽樣本。從概念上來看,它類似于k-NN分類器,兩者都存在無法很好地擴展到大型數(shù)據(jù)集上的問題。

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圖10:標(biāo)簽傳播工作原理示意圖。(圖片來源:Iscen等人在2019年發(fā)表的論文《深度半監(jiān)督學(xué)習(xí)的標(biāo)簽傳播》)

2.自訓(xùn)練(Self-Training)

自訓(xùn)練不是一個新概念,Scudder等人在1965年發(fā)表的論文《自適應(yīng)模式識別機器的錯誤概率》(Probability of error of some adaptive pattern-recognition machines)、 Nigram & Ghani等人在CIKM 2000 上發(fā)表的論文《分析協(xié)同訓(xùn)練的有效性和適用性》(Analyzing the Effectiveness and Applicability of Co-trainin)都涉及到這個概念。它是一種迭代算法,輪番進(jìn)行以下兩步操作,直到每個無標(biāo)簽樣本都匹配到一個標(biāo)簽:
  • 首先,它在標(biāo)簽數(shù)據(jù)上構(gòu)建分類器。
  • 接著,它使用該分類器預(yù)測無標(biāo)簽數(shù)據(jù)的標(biāo)簽,并將置信度最高的標(biāo)簽轉(zhuǎn)換為標(biāo)簽樣本。
Xie 等人在2020年發(fā)表的論文《使用噪聲學(xué)生進(jìn)行自訓(xùn)練來優(yōu)化 ImageNet 分類》(Self-training with Noisy Student improves ImageNet classification)中,將自訓(xùn)練應(yīng)用于深度學(xué)習(xí),并取得了巨大成果。在ImageNet分類任務(wù)中,研究者首先訓(xùn)練了一個EfficientNet模型作為Teacher模型,為3億張無標(biāo)簽圖像生成偽標(biāo)簽,然后訓(xùn)練了一個更大的EfficientNet模型作為Student 模型,以學(xué)習(xí)真實標(biāo)簽圖像和偽標(biāo)簽圖像。在他們的實驗設(shè)置中,一個關(guān)鍵的元素是在Student模型訓(xùn)練期間加入噪聲,而Teacher模型生成偽標(biāo)簽過程則不加入噪聲來。因此,他們的方法被稱為“噪聲學(xué)生(Noisy Student )”,即使用隨機深度、dropout和RandAugment方法給Student 模型加入噪聲。Student 模型表現(xiàn)得比Teacher 模型更好,很大程度上就是加入噪聲帶來的好處。添加的噪聲具有復(fù)合效應(yīng),可以促使模型在標(biāo)簽數(shù)據(jù)和無標(biāo)簽數(shù)據(jù)上產(chǎn)生的決策邊界變得平滑。
Student 模型自訓(xùn)練還有其他幾個重要的技術(shù)設(shè)置,包括:
  • Student 模型加應(yīng)該足夠大(即比Teacher 模型大),以適用于更多數(shù)據(jù)。
  • 加入噪聲的Student 模型應(yīng)該結(jié)合數(shù)據(jù)平衡方法,這對于平衡每個類重的偽標(biāo)簽圖像的數(shù)量尤其重要。
  • 軟偽標(biāo)簽比硬標(biāo)簽效果更好。
加入噪聲的Student 模型還提高了防御 FGSM(快速梯度符號攻擊,其使用輸入數(shù)據(jù)的損失梯度,并調(diào)整輸入數(shù)據(jù)從而最大化損失)的對抗魯棒性,即便該模型未針對對抗魯棒性進(jìn)行優(yōu)化。
Du 等人在2020年的論文《自訓(xùn)練優(yōu)化自然語言理解的預(yù)訓(xùn)練》(Self-training Improves Pre-training for Natural Language Understanding)中提出SentAugment 方法,旨在解決語言領(lǐng)域進(jìn)行自訓(xùn)練時,域內(nèi)無標(biāo)簽數(shù)據(jù)不足的問題。它依靠句向量從大型語料庫中找到無標(biāo)簽的域內(nèi)樣本,并使用檢索到的句子進(jìn)行自訓(xùn)練。

3.減小確認(rèn)偏誤(Confirmation Bias)

確認(rèn)偏誤是由于Teacher模型還不夠成熟導(dǎo)致提供錯誤的偽標(biāo)簽的問題。對錯誤標(biāo)簽進(jìn)行過擬合可能并不會產(chǎn)生更好的Student模型。
為了減小確認(rèn)偏誤,Eric Arazo等人在論文《深度半監(jiān)督學(xué)習(xí)中的偽標(biāo)簽和確認(rèn)偏誤》(Pseudo-Labeling and Confirmation Bias in Deep Semi-Supervised Learning)中提出了兩種新方法。
一種是采用軟標(biāo)簽的Mixup方法,給定OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)兩個樣本和它們對應(yīng)的真標(biāo)簽和偽標(biāo)簽OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí),插值標(biāo)簽方程可以轉(zhuǎn)化為softmax輸出的交叉熵?fù)p失:
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如果標(biāo)簽樣本太少,使用Mixup方法還不夠。因此論文作者通過對標(biāo)簽樣本進(jìn)行過采樣,從而對每個小批量中的標(biāo)簽樣本設(shè)置最小數(shù)量。這比對標(biāo)簽樣本進(jìn)行權(quán)重補償效果更好,因為它會更頻繁地更新,而不是頻次少的更大幅度的更新——這種更新其實更不穩(wěn)定。
與一致性正則化一樣,數(shù)據(jù)增強和dropout方法對于發(fā)揮偽標(biāo)簽的作用,也很重要。
Hieu Pham等人在2021年論文《元偽標(biāo)簽》(Meta Pseudo Labels)中提出元偽標(biāo)簽,根據(jù)Student模型對在標(biāo)簽數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)的反饋,不斷調(diào)整Teacher模型。Teacher模型和Student模型同步進(jìn)行訓(xùn)練,Teacher模型學(xué)習(xí)生成更好的偽標(biāo)簽,Student模型從偽標(biāo)簽中學(xué)習(xí)。
將Teacher模型和Student模型的權(quán)重分別設(shè)為OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí),Student模型在標(biāo)簽樣本上的損失定義為OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)的函數(shù)OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí),并傾向于通過優(yōu)化Teacher模型來相應(yīng)地最小化這一損失。
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然而,優(yōu)化上述方程并非易事。借用MAML (模型無關(guān)的元學(xué)習(xí), Model-Agnostic Meta-Learnin)的思路,它近似于在進(jìn)行多步OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)計算的同時,對OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)行一步梯度更新。
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由于使用的是軟偽標(biāo)簽,上述目標(biāo)函數(shù)是可微函數(shù)。但是如果使用硬偽標(biāo)簽,則是不可微函數(shù),因此需要用到REINFORCE等強化學(xué)習(xí)方法。
優(yōu)化過程是在兩個模型之間的交替進(jìn)行的:
  • Student模型更新:給定一批無標(biāo)簽樣本OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí),我們可以通過函數(shù)OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)生成偽標(biāo)簽,并使用一步隨機梯度下降優(yōu)化OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
  • Teacher模型更新:給定一批標(biāo)簽樣本OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí),我們重復(fù)使用Student模型的更新來優(yōu)化OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)。此外,還將UDA對象應(yīng)用于Teacher模型以兼并一致性正則化。

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圖11:元偽標(biāo)簽與其他半監(jiān)督或自監(jiān)督學(xué)習(xí)方法在圖像分類任務(wù)中的性能比較。(圖片來源:Hieu Pham等人在2021年論文《元偽標(biāo)簽》)



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一致性正則化+偽標(biāo)簽

可以將一致性正則化、偽標(biāo)簽兩種方法結(jié)合起來,應(yīng)用到半監(jiān)督學(xué)習(xí)。 

1.MixMatch

Berthelot等人在2019年的論文《MixMatch: 一種面向半監(jiān)督學(xué)習(xí)的整體性方法》(MixMatch: A Holistic Approach to Semi-Supervised Learning)中提出的MixMatch 方法,是一種應(yīng)用于半監(jiān)督學(xué)習(xí)的整體性方法,它通過整合以下方法來使用無標(biāo)簽數(shù)據(jù):
  • 一致性正則化(Consistency regularization):讓模型對受到擾動的無標(biāo)簽樣本輸出相同的預(yù)測。
  • 熵最小化(Entropy minimization):讓模型對無標(biāo)簽數(shù)據(jù)輸出置信預(yù)測。
  • MixUp 增強:讓模型在樣本之間進(jìn)行線性行為。
給定一批標(biāo)簽數(shù)據(jù)OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)和無標(biāo)簽數(shù)據(jù)OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí),通過OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)運算得到其增強版本,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)分別表示增強樣本和給無標(biāo)簽樣本預(yù)測到的標(biāo)簽。
 OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)
其中OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是銳化溫度,用來減少猜測到的標(biāo)簽重疊;K 是每一個無標(biāo)簽樣本生成的增強版本個數(shù);OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是MixMatch 函數(shù)中的參數(shù)。
對于每一個OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí),MixMatch都會生成K個增強版本,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)等于k分別為1,....,K的OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)的增強版本,模型基于平均值OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)來猜測偽標(biāo)簽。

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圖12:MixMatch中的“標(biāo)簽猜測”過程:K 個增強無標(biāo)簽樣本的平均值,修正預(yù)測的邊際分布,最終使分布銳化銳。(圖片來源:Berthelot等人在2019年的論文《MixMatch: 一種面向半監(jiān)督學(xué)習(xí)的整體性方法》)
根據(jù)該論文的消融研究,對無標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行 MixUp增強尤其重要。去除偽標(biāo)簽分布上的溫度銳化會嚴(yán)重影響性能。對于標(biāo)簽猜測,計算無標(biāo)簽數(shù)據(jù)多個增強版本的平均值也是必不可少的。
Berthelot等人在2020年的論文《ReMixMatch:使用分布對齊和增強錨定進(jìn)行半監(jiān)督學(xué)習(xí)》(ReMixMatch: Semi-Supervised Learning with Distribution Alignment and Augmentation Anchoring)中,進(jìn)一步提出ReMixMatch方法,通過引入以下兩種新機制來改進(jìn)MixMatch方法:

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圖13:ReMixMatch 方法對MixMatch方法的兩項改進(jìn)的圖示。(圖片來源:
Berthelot等人在2020年的論文《ReMixMatch:使用分布對齊和增強錨定進(jìn)行半監(jiān)督學(xué)習(xí)》)
1.分布對齊(Distribution alignment)。該方法讓邊緣分布OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)與真值標(biāo)簽的邊緣分布相近。設(shè)定OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)為真值標(biāo)簽的類分布,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是無標(biāo)簽數(shù)據(jù)上的預(yù)測類分布的移動平均。模型對無標(biāo)簽樣本的預(yù)測OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)經(jīng)過歸一化處理為OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)以匹配真實邊緣分布。
需要注意的是,如果邊際分布不一致,熵最小化則不是一個有用的目標(biāo)。并且,有標(biāo)簽和無標(biāo)簽數(shù)據(jù)上的類分布相互匹配的假設(shè)確實太絕對了,在現(xiàn)實環(huán)境中不一定是正確的。
2.增強錨定(Augmentation Anchoring)。給定一個無標(biāo)簽樣本,首先會生成一個弱增強的“錨定”版本,接著使用 CTAugment (控制理論增強,Control Theory Augment)方法對K個強增強版本計算平均值。CTAugment僅僅對講模型預(yù)測保持在網(wǎng)絡(luò)容差范圍內(nèi)的增強版本進(jìn)行采樣。
ReMixMatch損失由以下幾個項組成:
  • 應(yīng)用了數(shù)據(jù)增強和Mixup方法的監(jiān)督損失
  • 應(yīng)用了數(shù)據(jù)增強和Mixup方法卻使用偽標(biāo)簽作為目標(biāo)的無監(jiān)督損失
  • 不使用Mixup方法情況下,單個強增強的無標(biāo)簽圖像的交叉熵?fù)p失
  • 自監(jiān)督學(xué)習(xí)中的旋轉(zhuǎn)損失( rotation loss)。

2.DivideMix

Junnan Li 等人在2020年論文《DivideMix:使用噪聲標(biāo)簽學(xué)習(xí)來實現(xiàn)半監(jiān)督學(xué)習(xí)》(DivideMix: Learning with Noisy Labels as Semi-supervised Learning)中提出DivideMix方法,它將半監(jiān)督學(xué)習(xí)與使用噪聲標(biāo)簽的學(xué)習(xí)(Learning with noisy labels,LNL)相結(jié)合。它通過高斯混合模型(GMM)對每個樣本損失分布進(jìn)行建模,將訓(xùn)練數(shù)據(jù)動態(tài)劃分為含有干凈樣本的標(biāo)簽數(shù)據(jù)集和含有噪聲樣本的無標(biāo)簽數(shù)據(jù)集。
按照Arazo等人在2019年論文《無監(jiān)督標(biāo)簽噪聲建模和損失修正》(Unsupervised Label Noise Modeling and Loss Correction)中提出的想法,他們在每個樣本交叉熵?fù)p失上擬合了一個二元高斯混合模型。干凈樣本期望比噪聲樣本更快得到更低的損失。更小均值的高斯混合模型對應(yīng)干凈標(biāo)簽的聚類,這里將其表示為c。如果高斯混合模型的后驗概率OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)(即樣本屬于干凈樣本集的概率)大于閾值,則該樣本被視為干凈樣本,否則被視為噪聲樣本。
數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類的過程叫做協(xié)同劃分(co-divide)。為了避免確認(rèn)偏誤,DividImax方法同時訓(xùn)練兩個交叉的網(wǎng)絡(luò),其中每個網(wǎng)絡(luò)都使用來自另一個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集分離出來的部分,類似于雙 Q 學(xué)習(xí) (Double Q-Learning) 的工作原理。
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?圖14:DivideMix獨立訓(xùn)練兩個網(wǎng)絡(luò),以減少確認(rèn)偏誤。兩個網(wǎng)絡(luò)同時運行?協(xié)同劃分,、協(xié)同細(xì)化 和協(xié)同猜測。(圖片來源:Junnan Li 等人在2020年論文《DivideMix:使用噪聲標(biāo)簽學(xué)習(xí)來實現(xiàn)半監(jiān)督學(xué)習(xí)》)
與MixMatch相比,DivideMix有一個額外的用于處理噪音樣本的?co-divide步驟,并在訓(xùn)練期間做了如下改進(jìn):
標(biāo)簽協(xié)同細(xì)化(Label co-refinement:):它將真值標(biāo)簽OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)與網(wǎng)絡(luò)預(yù)測OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)行線性組合,其中OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是另一個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干凈數(shù)據(jù)集概率 OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)條件下,OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)多個增強版本的平均值。
標(biāo)簽協(xié)同猜測(Label co-guessing):它對兩個模型對無標(biāo)簽數(shù)據(jù)樣本的預(yù)測進(jìn)行平均。

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圖15:DivideMix算法。(圖片來源:Junnan Li 等人在2020年論文《DivideMix:使用噪聲標(biāo)簽學(xué)習(xí)來實現(xiàn)半監(jiān)督學(xué)習(xí)》) 

3.FixMatch

Sohn等人在2020年的論文《FixMatch: 使用一致性和置信度簡化半監(jiān)督學(xué)習(xí)》(FixMatch: Simplifying Semi-Supervised Learning with Consistency and Confidence)中提出的FixMatch方法,通過弱增強方法在無標(biāo)簽樣本上生成偽標(biāo)簽,并且只保持高置信度的預(yù)測。在這里,弱增強和高置信度過濾都有助于生成高質(zhì)量的可信偽標(biāo)簽?zāi)繕?biāo)。然后,F(xiàn)ixMatch在給定一個經(jīng)過大幅增強的樣本情況下,預(yù)測這些偽標(biāo)簽。

OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)圖16:FixMatch方法的工作原理圖示。(圖片來源:Sohn等人在2020年的論文《FixMatch: 使用一致性和置信度簡化半監(jiān)督學(xué)習(xí)》) 

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其中OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是無標(biāo)簽樣本的偽標(biāo)簽;OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)是決定OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)的相對大小的超參數(shù)。
弱增強OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí):標(biāo)準(zhǔn)的平移和變換增強。
強增強OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí):AutoAugment、 Cutout、 RandAugment和 CTAugment等數(shù)據(jù)增強方法。

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圖17:FixMatch和其他幾種半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法在圖像分類任務(wù)上的性能。(圖片來源:Sohn等人在2020年的論文《FixMatch: 使用一致性和置信度簡化半監(jiān)督學(xué)習(xí)》) 
根據(jù)FixMatch的消融研究,
  • 當(dāng)使用閾值τ時,使用溫度參數(shù)T對銳化預(yù)測分布不會產(chǎn)生顯著影響。
  • Cutout和CTAugment是強增強方法,對模型達(dá)到良好的性能“功不可沒”。
  • 當(dāng)標(biāo)簽猜測使用強增強來取代弱增強時,模型在訓(xùn)練早期就發(fā)散了。如果舍棄弱增強,模型就會過度擬合猜測的標(biāo)簽。
  • 使用弱增強而不是強增強進(jìn)行偽標(biāo)簽預(yù)測,會導(dǎo)致模型性能不穩(wěn)定。強數(shù)據(jù)增強,對于模型性能的穩(wěn)定性而言,至關(guān)重要。



7

結(jié)合強大的預(yù)訓(xùn)練

該方法通過自監(jiān)督學(xué)習(xí)在大型無監(jiān)督數(shù)據(jù)語料庫上對與任務(wù)無關(guān)的模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練,然后使用小型標(biāo)簽數(shù)據(jù)集在下游任務(wù)上對該模型進(jìn)行微調(diào),這是一種常見的范式,尤其是在語言任務(wù)中。研究表明,如果將半監(jiān)督學(xué)習(xí)與預(yù)訓(xùn)練相結(jié)合,模型可以獲得額外的收益。
Zoph 等人在2020年的論文《重新思考預(yù)訓(xùn)練和自訓(xùn)練》(Rethinking Pre-training and Self-training),研究了自訓(xùn)練比預(yù)訓(xùn)練更有效多少。他們的實驗設(shè)置是使用ImageNet 進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練或自訓(xùn)練,從而改進(jìn) COCO結(jié)果。需要注意的是,在使用 ImageNet 進(jìn)行自訓(xùn)練時,它會丟棄標(biāo)簽,僅將 ImageNet 樣本用作無標(biāo)簽的數(shù)據(jù)點。何愷明等人在2018年的論文《重新思考ImageNet 預(yù)訓(xùn)練》(Rethinking ImageNet Pre-training)中已經(jīng)證明,如果下游任務(wù)(例如目標(biāo)檢測)非常不同,ImageNet 分類預(yù)訓(xùn)練的效果就不是很好。

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圖18:(a) 數(shù)據(jù)增強(從弱到強)的結(jié)果和 (b) 標(biāo)簽數(shù)據(jù)集大小對目標(biāo)檢測性能的影響。在圖例中:“Rand Init”表示經(jīng)過隨機權(quán)重初始化的模型;`ImageNet` 使用在ImageNet數(shù)據(jù)集上Top-1準(zhǔn)確率為84.5%的預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行初始化;`ImageNet++`使用在 ImageNet數(shù)據(jù)集上Top-1準(zhǔn)確率為86.9%的預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行初始化。(圖片來源:Zoph 等人在2020年的論文《重新思考預(yù)訓(xùn)練和自訓(xùn)練》)
該實驗獲得了一系列有趣的發(fā)現(xiàn):
  • 可用于下游任務(wù)的標(biāo)簽樣本越多,預(yù)訓(xùn)練的有效性就越低。預(yù)訓(xùn)練在低數(shù)據(jù)模式(20%)下是有幫助的,但在高數(shù)據(jù)情況下是中性的或起反作用的。
  • 在高數(shù)據(jù)/強增強模式下,即便預(yù)訓(xùn)練會起反作用,自訓(xùn)練也是有幫助的。
  • 即使使用相同的數(shù)據(jù)源,自訓(xùn)練也可以在預(yù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上帶來額外的改進(jìn)。
  • 自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練(例如通過 SimCLR進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練)會損害模型在高數(shù)據(jù)模式下的性能,跟監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練差不多。
  • 聯(lián)合訓(xùn)練監(jiān)督和自監(jiān)督學(xué)習(xí)目標(biāo)有助于解決預(yù)訓(xùn)練和下游任務(wù)之間的不匹配問題。預(yù)訓(xùn)練、聯(lián)合訓(xùn)練和自訓(xùn)練都是加性的。
  • 噪聲標(biāo)簽或非目標(biāo)標(biāo)簽(即預(yù)訓(xùn)練標(biāo)簽未與下游任務(wù)標(biāo)簽對齊)比目標(biāo)的偽標(biāo)簽更差。
  • 自訓(xùn)練在計算上比在預(yù)訓(xùn)練模型上進(jìn)行微調(diào),更昂貴。
Ting Chen等人在2020年的論文《大型自監(jiān)督模型是強大的半監(jiān)督學(xué)習(xí)者》(Big Self-Supervised Models are Strong Semi-Supervised Learners)中,提出了一個三步程序(three-step procedure)方法,將自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練、有監(jiān)督微調(diào)以及自訓(xùn)練的優(yōu)勢都結(jié)合在一起:
1.使用無監(jiān)督或子監(jiān)督方法對一個大模型進(jìn)行訓(xùn)練;
2.在一些標(biāo)簽示例上對該模型進(jìn)行有監(jiān)督微調(diào),其中使用大型(深且寬)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要,因為使用更少的標(biāo)簽樣本下,模型越大,性能更佳。
3.在自訓(xùn)練中采用偽標(biāo)簽,對無標(biāo)簽示例進(jìn)行蒸餾。
a.可以將一個大模型的知識蒸餾到一個小模型中,因為這種特定任務(wù)的用法并不需要學(xué)到的表示的額外容量。
b.蒸餾損失公式如下,其中Teacher網(wǎng)絡(luò)是固定的,權(quán)重為OpenAI 研究員:數(shù)據(jù)不足時,如何實現(xiàn)監(jiān)督學(xué)習(xí)。

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圖19:半監(jiān)督學(xué)習(xí)框架通過與任務(wù)無關(guān)的無監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練(左)和特定任務(wù)的自訓(xùn)練和蒸餾(右)來使用無標(biāo)簽的數(shù)據(jù)語料庫。(圖片來源:Ting Chen等人在2020年的論文《大型自監(jiān)督模型是強大的半監(jiān)督學(xué)習(xí)者》) 

論文作者在 ImageNet 分類任務(wù)上進(jìn)行了實驗。自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練使用 SimCLRv2,SimCLR 的直接改進(jìn)版本。他們在實證研究中的觀察結(jié)果,證實了Zoph 等人在2020年提出的一些成果:
  • 更大模型的標(biāo)簽學(xué)習(xí)更加高效;
  • SimCLR 中更大/更深的project heads可以改善表征學(xué)習(xí);
  • 使用無標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行蒸餾,能優(yōu)化半監(jiān)督學(xué)習(xí)。
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圖20:SimCLRv2 + 半監(jiān)督蒸餾在 ImageNet 分類上的性能對比。(圖片來源:Ting Chen等人在2020年的論文《大型自監(jiān)督模型是強大的半監(jiān)督學(xué)習(xí)者》)
通過對最近半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法的總結(jié),我們可以發(fā)現(xiàn)不少方法都旨在減少確認(rèn)偏誤:
  • 通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)增強方法將有效且多樣化的噪聲應(yīng)用于樣本。
  • 在處理圖像時,MixUp 是一種有效的數(shù)據(jù)增強方法。該方法同樣可用于語言任務(wù),實現(xiàn)較小的增量優(yōu)化((Guo et al. 2019)。
  • 設(shè)置閾值,并去掉置信度低的偽標(biāo)簽。
  • 設(shè)置每個小批量中的標(biāo)簽樣本的最少數(shù)量。
  • 銳化偽標(biāo)簽分布來減少類重疊。
如需引用,請注明:
@article{weng2021semi,  title   = "Learning with not Enough Data Part 1: Semi-Supervised Learning",  author  = "Weng, Lilian",  journal = "lilianweng.github.io",  year    = "2021",  url     = "https://lilianweng.github.io/posts/2021-12-05-semi-supervised/"}

參考文獻(xiàn):

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[14 Iscen et al. “Label propagation for deep semi-supervised learning.” CVPR 2019
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[21] Zoph et al. “Rethinking pre-training and self-training.” 2020.
[22] Chen et al. “Big Self-Supervised Models are Strong Semi-Supervised Learners” 2020

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